Navigeren door hitte in geavanceerde verpakkingen

De integratie van meerdere heterogene matrijzen in een pakket is van cruciaal belang voor het uitbreiden van de wet van Moore en het verbeteren van de prestaties, energie-efficiëntie en functionaliteit, maar het roept ook aanzienlijke problemen op over het beheer van de thermische belasting.

Geavanceerde verpakking biedt een manier om meer kenmerken en functies in een apparaat te stoppen, steeds vaker door verschillende componenten verticaal te stapelen in plaats van alleen maar de digitale circuits te verkleinen om meer functionaliteit op een SoC van dradenkruisformaat te proppen. Dat roept vragen op over hoe de prestaties en het vermogen kunnen worden geoptimaliseerd. Op een enkele chip kunnen signaalpaden zo kort zijn als nodig is, en het substraat is effectief in het afvoeren van de warmte. Maar met meerdere dies in een pakket moeten substraten en diëlektrica dunner zijn om de afstand die signalen moeten afleggen te verkleinen, en dat beperkt de thermische dissipatie.

Dit kan leiden tot hotspots, die moeilijk te voorspellen zijn, vooral onder wisselende werklasten en gebruiksscenario’s. En het kan nog erger worden als meerdere chips of chiplets met verschillende thermische eigenschappen in één pakket worden geïntegreerd.

“Elke keer dat je meerdere dobbelsteentjes op een substraat of interposer plaatst, is het een uitdaging”, zegt Vik Chaudhry, senior director, productmarketing en business development bij Amkor-technologie. “We zien verkopers niet alleen 3 of 4, maar 8, 10 of 12 doden. Hoe verdeel je die warmte overal?”

Fig. 1: Simulatie van warmteafvoer bij thermische koppels. Bron: Ansys

Heterogene integratie hangt af van het vermogen om de warmte effectief te verwijderen, waardoor ervoor wordt gezorgd dat de dicht opeengepakte matrijzen in een module aanvaardbare temperaturen behouden voor een betrouwbare werking. IEEE's Heterogeneous Integration Roadmap identificeert verschillende ontwikkelingsgebieden, waaronder geavanceerde modelleringstechnieken om de warmtestroom te voorspellen en te beheren, nieuwe materialen met zowel hoge thermische geleidbaarheid als lage elektrische geleidbaarheid, en nieuwe koeloplossingen die naadloos kunnen worden geïntegreerd in complexe pakketten.

Thermische mismatch
Materiaalkeuzes zijn van cruciaal belang voor thermisch beheer bij heterogene integratie. Naarmate componenten met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten (CTE) opwarmen en afkoelen, zetten deze materialen met verschillende snelheden uit en krimpen ze. Dat kan mechanische spanningen veroorzaken die de integriteit van de chips in gevaar brengen, de verbindingen verzwakken die ze verbinden met interposers of andere substraten, en de algehele functionaliteit van een apparaat aantasten.

Het gebruik van materialen met vergelijkbare CTE's helpt deze spanningen te verminderen, waardoor een deel van het risico op voortijdig falen wordt beperkt, evenals andere thermisch geïnduceerde effecten, zoals versnelde veroudering, verminderde elektronenmobiliteit of drift in analoge of optische signalen.

“CTE is waarschijnlijk de grootste uitdaging voor geavanceerde verpakkingen, en ik denk niet dat iemand dit helemaal door heeft”, zegt David Fromm, COO en vice-president engineering bij Promex Industries. “We hebben te maken met CTE op driedimensionale schaal op manieren die we nog nooit eerder hebben gezien, en deze problemen met kromtrekken of breken van onderdelen zijn echt een uitdaging. Sommige bedrijven kunnen het voor een bepaald proces uitzoeken, en dan veranderen de materialen, veranderen de apparaatgroottes en verandert de vergelijking. En dan moet je het weer uitzoeken.”

Simpel gezegd vereist heterogene integratie een fundamenteel begrip van de thermische uitzettingseigenschappen van elk materiaal dat uiteindelijk de betrouwbaarheid en opbrengst van het verpakte apparaat zou kunnen bepalen. En dat is slechts een deel van het probleem. Geavanceerde verpakking vereist inzicht in wat er nog meer in de buurt van een chip of chiplet zit, hoe die andere elementen worden gebruikt, en dat alles moet samen worden gemodelleerd en gesimuleerd met behulp van wat naar verwachting een realistische werklast zal zijn. Dit probleem wordt veel moeilijker gemaakt wanneer de computerbehoeften veranderen, zoals in datacenters waar generatieve AI de hoeveelheid gegevens die moet worden verwerkt aanzienlijk heeft vergroot, wat resulteert in een hoger gebruik van processors en geheugens.

“Er is altijd een bepaald niveau van thermische analyse geweest, maar dat werd uiteindelijk gedaan om te controleren of niets te ver uit de hand liep”, zegt Marc Swinnen, directeur productmarketing bij Ansys. “Je kon een bepaalde junctietemperatuur nastreven, en als die voldeed, was het zo simpel. Maar nu met multi-die-systemen zul je dat moeten doen in de RTL-vloerplanningsfase. Je zult een idee moeten hebben van wat het vermogen van elk van deze chips is, zodat twee chips die heet worden bij dezelfde werking niet vlak naast elkaar of bovenop elkaar worden geplaatst. . Dat zal je ontwerp verpesten.”

Terug naar de tekentafel
Nu de industrie worstelt met verschillende uitdagingen op het gebied van de heterogene integratieroutekaart, is thermisch beheer niet langer een bijzaak. Het is naar links verschoven in de stroom van ontwerp tot en met productie, en naar het veld waar in-circuit monitors alles kunnen beoordelen en aanpassen, van partitionering tot prioritering van verschillende chips en chiplets.

“De duivel zit in de details”, zegt Fromm. “Deze ogenschijnlijk kleine ontwerp- en integratiebeslissingen kunnen een enorme impact hebben op de vraag of je wel kunt bouwen wat je wilt, laat staan ​​bouwen met rendement en productbetrouwbaarheid verderop in de keten. Het kiezen van de juiste materialen, nadenken over de stapelingen en nadenken over de processtroom zijn allemaal van cruciaal belang.”

Dit vertegenwoordigt een fundamentele verschuiving in een toenemend aantal ontwerpen, van datacenters tot consumentenelektronica en steeds autonomere voertuigen. Omdat heterogene elementen samen worden verpakt in fan-outs met pilaren, 2.5D, en vooral binnen 3D-IC ontwerpen moeten thermische paden steeds gedetailleerder in kaart worden gebracht. Als dit verkeerd wordt gedaan, kan dit schade veroorzaken aan een hele verpakking gevuld met meerdere chips/chiplets, waarbij zelfs het vinden van de oorzaak van het probleem kostbaar kan zijn.

“Er is behoefte om te ontwerpen met zowel thermische mechanische beperkingen als de substraat- en assemblagetechnologie”, zegt George Orji, onderzoekswetenschapper voor het CHIPS National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP). “Geavanceerde verpakkingen laten geen herbewerking toe, dus monolithische chipontwerpmethodologieën voor geavanceerde verpakkingen is iets dat we moeten doen.”

De complexiteit die inherent is aan heterogeen geïntegreerde systemen vereist een multidisciplinaire benadering van ontwerp. Dit is ingewikkelde materie, en pogingen om deze aanpak te laten werken zijn niet nieuw, en het mislukte vanwege planaire schaalvergroting. David Fried, vice-president van het bedrijf bij Lam Research, zei tijdens een recente paneldiscussie dat IBM 3 jaar geleden heterogene 25D-integratie probeerde toen hij daar was. "We dachten dat we veel van de procescomponenten erin konden samenvoegen", zei hij. “Maar enkele van de grootste uitdagingen lagen aan de ontwerp- en EDA-kant, het verdelen van welke technologie te gebruiken, hoe de verschillende componenten van het systeem op verschillende chips te segmenteren, en vervolgens terug te gaan en ze opnieuw te integreren. Het ontwerp en de optimalisatie van het ontwerp moeten er zijn om dit te laten werken.”

Wat sindsdien is veranderd, is dat de chipindustrie geen opties meer heeft. Het wordt te duur om chips te ontwikkelen op de meest geavanceerde knooppunten, en te beperkt door de grootte van het dradenkruis. Maar dit blijft lastig werk.

Om de lasten voor ontwerpers te verlichten, worden synergetische technieken waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde materiaalwetenschappen en computerondersteunde ontwerptools steeds belangrijker, vooral naarmate chipconfiguraties ingewikkelder worden en de geïntegreerde functionaliteit toeneemt. “Hier hebben we nog werk te doen”, vult Swinnen van Ansys aan. “Hoe kunnen we dit oplossen op een manier die niet vereist dat elke ontwerper een expert is op het gebied van thermische interferentie, een expert op het gebied van elektromagnetische interferentie en een expert op mechanisch gebied? Het is onrealistisch om dat van onze ontwerpgemeenschap te verwachten.”

Deze beperkingen brengen de noodzaak met zich mee van innovatie op verschillende belangrijke aspecten van het ontwerpproces. Omdat we de veelzijdige aard van warmteopwekking in dicht geïntegreerde chips onderkennen, is het absoluut noodzakelijk om niet alleen steady-state, maar ook voorbijgaande thermische gebeurtenissen aan te pakken, die grotendeels gebaseerd zijn op gebruiksscenario's of werklasten. De routekaart voor heterogene integratie omvat strategieën zoals 3D thermische interfacematerialen en op CTE afgestemde warmteverspreiders om een ​​gelijkmatige warmteverdeling te garanderen.

“Met meerdere matrijzen heb je meerdere bronnen van thermische effecten, meerdere mechanische gradiënten en temperatuurgradiënten”, zegt Manuel Mota, senior productmarketingmanager bij Synopsys. “Dit alles moet in de ontwerpfase worden aangepakt.”

Het integreren van thermische overwegingen in het ontwerpproces is een vereiste voor de praktische realisatie van elk complex halfgeleiderapparaat. Het gaat niet alleen om het identificeren van de juiste materialen of componenten. Het stelt zich ook voor hoe ze allemaal gezamenlijk in het veld zullen functioneren.

Naarmate ingenieurs de vormfactor van elektronische apparaten verminderen en tegelijkertijd hun prestaties verbeteren, wordt het thermische omhulsel aanzienlijk kleiner. Uitgebreid beheer van thermische profielen in verschillende operationele toestanden, waarbij gebruik wordt gemaakt van de nieuwste warmteverspreider- en thermische interfacematerialen, wordt essentieel om de integriteit en prestaties van apparaten gedurende de beoogde levenscyclus te behouden.

“Thermisch is de voornaamste beperking voor de integratiedichtheid”, zegt Swinnen. “Het is gemakkelijk om de chips te stapelen. Je kunt het maken en ontwerpen, maar het zal nooit werken omdat het te heet wordt. Thermische energie is dus een centraal onderdeel geworden van de zorg van elke 3D-IC-chipontwerper.”

Om de thermische uitdaging bij heterogene integratie op te lossen, moeten verschillende materialen worden samengevoegd, zoals halfgeleiders met lagere CTE's, zoals silicium, met metalen zoals koper of aluminium, om warmte effectief af te voeren. Helaas leidt deze mix van materialen vaak tot kromtrekken, scheuren, loskomen van soldeerbultjes en apparaten die eerder kapot gaan dan verwacht. Er zijn nieuwe materialen nodig die compatibele eigenschappen hebben om deze problemen te overwinnen.

"Deze substraatmaterialen zullen zich waarschijnlijk langzamer ontwikkelen dan de interfacematerialen, lijmen, epoxy's, enzovoort", zegt Fromm. “Het gaat om de procesomstandigheden en hoe je die beheert. Waar we aan de verwerkingskant beter kunnen zijn, is samenwerken met de lijmfabrikanten om veranderingen in temperatuur te begrijpen, en vervolgens stroomopwaarts op ontwerpniveau om te begrijpen hoe al deze stapels kunnen evolueren, rekening houdend met die temperatuurveranderingen.

Materiaalinnovaties
Thermische problemen reiken veel verder dan alleen de werking van de chip. Warmte is ook een probleem aan de productiekant. De chips in een geavanceerd pakket moeten de assemblage en productie overleven, waarbij sommige van dezelfde CTE-problemen problematisch kunnen worden.

Denk bijvoorbeeld aan collectieve die-to-wafer (CoD2W), waarbij gebruik wordt gemaakt van thermocompressiebinding om een ​​chip aan een wafer te bevestigen. “In het CoD2W-proces zijn er situaties waarin verschillende matrijzen uit verschillende bronnen komen en verschillende hoogtes of verschillende diktes kunnen hebben”, zegt Rama Puligadda, uitvoerend directeur van Advanced Technologies R&D bij Brewer Science. “Als je een vliegdekschip met deze matrijzen vult, is het erg moeilijk om te weten of alle matrijzen tijdens het verbinden contact zullen maken met het doelwit. De mechanische eigenschappen van de die-attach-kleefstof zijn zo ontworpen dat de grotere matrijs tijdens het verbinden enigszins kan worden ingebed, waardoor een goed contact van alle matrijzen met de doelwafel mogelijk wordt gemaakt.”

Dat roept verschillende problemen op. “Uitdagingen voor onze materialen zijn onder meer temperatuurbeperkingen van verschillende matrijzen,” zei Puligadda. “We moeten ervoor zorgen dat de temperaturen die worden gebruikt voor het verbinden van materialen de thermische beperkingen van geen van de chips die in de verpakking worden geïntegreerd, overschrijden. Bovendien kunnen er enkele daaropvolgende processen plaatsvinden, zoals de vorming van een herverdelingslaag of het vormen. Onze materialen moeten die processen overleven. Ze moeten de chemicaliën waarmee ze tijdens het hele verpakkingsproces in contact komen, overleven. Mechanische spanningen in de verpakking zorgen voor extra uitdagingen bij het verlijmen van materialen.”

Er is een reeks materialen in ontwikkeling die een superieure thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie bieden. Deze nieuw ontworpen thermische interfacematerialen (TIM's) zorgen voor efficiënte warmtegeleidingsroutes tussen een chip en zijn koeler zonder de prestaties van de chip te verstoren. TIM's beschikken niet alleen over een verbeterde thermische geleidbaarheid, maar komen ook tegemoet aan de minieme variaties die worden veroorzaakt door ongelijkmatige warmteontwikkeling over het oppervlak van de chip.

“Thermisch beheer vereist nieuwe thermische materialen, evenals nieuwe circuittopologieën die gebruik maken van geavanceerde substraten en heterogene integratie”, zegt Orji. “Omdat de chips zo dicht bij elkaar zijn verpakt, is de mogelijkheid om overtollige warmte te verspreiden zeer beperkt.”

Fig. 2: Gedetailleerd aanzicht van een met deeltjes beladen thermisch grensvlakmateriaal van polymeer. Bron: Amkor

Idealiter zullen deze nieuwe materialen sterke covalente bindingen en gebalanceerde anion-kationmassa's vertonen, vergelijkbaar met de ongecompliceerde atomaire structuur die in diamant wordt aangetroffen. Erkende materialen in deze categorie zijn onder meer diamant, samen met verbindingen zoals berylliumoxide, aluminiumnitride, boornitride en, tot op zekere hoogte, siliciumnitride. Ondanks hun thermische geleidingsvermogen vormen deze materialen productieproblemen vanwege de bindingen die voor hun sterkte zorgen, waardoor bijvoorbeeld sinterprocessen bij hoge temperaturen nodig zijn om de gewenste dichtheid te bereiken. Een uitzondering vormt diamant, dat zich niet leent voor sinteren.

Eén benadering om de voordelen van deze materialen te benutten, ondanks hun verwerkingsuitdagingen, omvat het gebruik van composieten. Door bijvoorbeeld aluminiumnitride in een epoxycomposiet op te nemen, worden de voordelen van thermische hantering gedeeltelijk benut, hoewel het niet overeenkomt met de geleidbaarheidsniveaus van een massieve keramische tegenhanger. Deze mix van materiaaleigenschappen is cruciaal bij elektronicaverpakkingen, waar het wenselijk is om een ​​uitstekende elektrische geleider te hebben die voldoende warmte wegtrekt van de chipkernen om compromissen in de signaalprestaties te voorkomen.

Diamant, geroemd om zijn extreme hardheid, onderscheidt zich als een voorbeeldige thermische geleider en isolator. Polymere materialen zoals Teflon (polytetrafluorethyleen of PTFE), hoewel minder geleidend dan keramiek of diamant, overtreffen nog steeds veel kunststoffen in hun vermogen om warmte te geleiden en betrouwbare elektrische isolatie te bieden. PTFE is effectief genoeg om te worden gebruikt als coatingmateriaal in warmte-intensieve toepassingen zoals kookgerei.

Glas, porselein en andere dichte keramiek delen deze isolerende en warmtegeleidende eigenschappen. Ze zorgen voor praktische oplossingen, vooral in gevallen waarin ook een uitstekende elektrische isolator nodig is om de warmte te beheersen. Aluminiumnitride (AlN) wordt gebruikt als isolator in halfgeleiderapparaten, waardoor de opening tussen matrijzen en warmteoverdrachtscomponenten wordt overbrugd. Ondanks dat het niet zo thermisch geleidend is als berylliumoxide, biedt AlN een veiliger en kosteneffectiever alternatief. Bovendien overtreft AlN meer standaard isolatoren zoals mica, polyimide en aluminiumoxide wat betreft thermisch beheer.

Synthetische saffier verdient ook aandacht vanwege zijn betaalbaarheid en kneedbaarheid in verschillende vormen, waardoor het een waardevolle speler is op het gebied van halfgeleiderverpakkingen. Elk van deze materialen biedt unieke voordelen bij het ontwerpen van pakketten waarbij het beheersen van de warmte zonder de elektronische prestaties te belemmeren van het grootste belang is.

Hoewel geavanceerde materialen zoals diamant en aluminiumnitride voorop lopen bij het aanpakken van thermische uitdagingen in halfgeleiderapparaten, vereisen niet alle oplossingen exotische of stijve componenten. Thermische vetten en lijmen dienen als bindweefsel in elektronische verpakkingen, vullen kleine gaten of onregelmatigheden in het oppervlak op en vergemakkelijken de warmteoverdracht tussen componenten met verschillende topografieën. Hun vermogen om zich aan te passen aan oppervlakken vormt een cruciale aanvulling op de meer solide oplossingen voor thermisch beheer en vormt een alomvattende benadering van warmteafvoer. Met een focus op het verbeteren van deze materialen willen onderzoekers hun thermische geleidbaarheidseigenschappen verbeteren, waardoor ze effectievere partners worden in het warmtebeheerparadigma.

“Thermische vetten en thermische lijmen zijn thermisch geleidend,” voegt Fromm toe, “maar vergeleken met materialen als typisch keramiek die thermisch geleidend zijn, zijn het een factor tien slechte geleiders. Deze materialen zijn niet zo goed, en daar zijn fysische en chemische redenen voor. Er valt veel voordeel te behalen en er gebeurt veel werk op dat gebied.”

De toekomst
Terwijl nieuwe materialen de weg vrijmaken voor thermische verlichting, zijn er ook innovatieve nieuwe koeltechnieken in ontwikkeling. Silicium-microkanalen, dit zijn trajecten op microschaal die in substraten zijn geëtst, kunnen koelmiddelen rechtstreeks naar het hart van hotspots leiden. Deze directe koelmethode is superieur aan traditionele koellichamen, maar biedt uitdagingen op het gebied van ontwerp, montage en betrouwbaarheid.

Op dezelfde manier zou de ontwikkeling van vloeistofkoelsystemen met gesloten lus ervoor kunnen zorgen dat componenten koel blijven zonder de beperkingen die worden opgelegd door luchtstroommethoden. Deze systemen bieden de belofte van een koelere bedrijfstemperatuur zonder de dreiging van thermische throttling, maar er moet nog veel onderzoek worden gedaan naar zowel het ontwerp als de procesbehandeling van vloeistofkoelsystemen.

Een andere optie is om eenvoudigweg de structuur van de gestapelde dies om te keren, dus in plaats van het geheugen bovenop de logica te plaatsen, wordt de logica bovenop het geheugen geplaatst met een koellichaam erbovenop. Winbond suggereerde dit bijvoorbeeld met zijn op maat gemaakte ultra-bandbreedte-elementen (CUBE) -technologie, een krachtige aanpak waarbij de SoC-topchip rechtstreeks in het geheugen wordt gestapeld, dat vervolgens met behulp van siliconenvia's aan het substraat wordt bevestigd. De aanpak, volgens CS Lin, marketingmanager bij Winbond, verbruikt minder stroom, wat op zijn beurt de hitte vermindert. Bovendien kan de warmte direct worden afgevoerd, in plaats van deze door een labyrint van heterogene componenten te leiden.

Een andere optie is het gebruik van realtime thermisch beheer, mogelijk gemaakt door AI. Algoritmen kunnen nu de temperaturen op verschillende locaties op de chip monitoren, waardoor de koelbronnen dynamisch worden aangestuurd en optimale prestaties worden gegarandeerd zonder de thermische rode lijn te overschrijden. ProteanTecs heeft bijvoorbeeld zojuist een oplossing uitgerold die gericht is op het datacenter en die naar eigen zeggen het vermogen in servers kan verlagen door de hoeveelheid guard-banding te verminderen die nodig is om de chips tegen oververhitting te beschermen. Deze aanpak is gebaseerd op het monitoren van veranderingen vanuit een chip en het bieden van aanpassingen indien nodig.

Synopsys en Siemens EDA hebben ook oplossingen om verschillende activiteits- en temperatuurveranderingen te monitoren met behulp van interne sensoren. Het kunnen uitlezen van gegevens vanuit een pakket met behulp van telemetrie is een steeds belangrijker onderdeel bij het beheersen van warmte.

“Je hebt de mechanische constructie van chips op chips en op interposers met duizenden of miljoenen microbultjes, en ze zetten allemaal uit en krimpen naarmate de chip warmer wordt”, voegt Swinnen toe. “Afhankelijk van je thermische kaart zal je energie-integriteit zich in realtime moeten aanpassen aan het lokale temperatuurprofiel. Je kunt berekenen hoeveel stroom een ​​chip levert, maar tot welke temperatuur hij komt, hangt ervan af. Staat hij op een koud bord, of zit hij in de zon in de Sahara? Dezelfde chip en dezelfde activiteit kunnen tot heel verschillende temperaturen leiden, afhankelijk van de omgeving.”

Bovendien belooft onderzoek naar faseveranderingsmaterialen, die warmte absorberen door hun toestand te veranderen, passieve maar krachtige temperatuurregulatie. Meer nog, het onderzoek naar biologische koelsystemen, waarbij wordt geprobeerd de reactie van het menselijk lichaam op hitte na te bootsen, voorspelt een toekomst waarin onze apparaten warmte net zo intuïtief kunnen afvoeren als we transpireren.

Conclusie
Terwijl de halfgeleiderindustrie de grenzen van prestaties en integratie blijft verleggen, blijft het thermische beheer binnen geavanceerde verpakkingen een uitdaging. Aan de ene kant van het spectrum ontstaan ​​de escalerende thermische complexiteiten naarmate bedrijven streven naar dichter op elkaar gepakte multi-chipmodules. Integendeel, de vooruitgang in de materiaalwetenschappen en innovatieve koeltechnologieën streven ernaar de daaruit voortvloeiende thermische belasting te verlichten. Beide zijn nodig om complexe thermische uitdagingen aan te pakken, maar er is nog veel werk te doen om dit op een consistente en voorspelbare manier op te lossen.

- Ed Sperling heeft bijgedragen aan dit rapport.

Gerelateerd lezen
Thermisch geïnduceerde stress in chips beheren
Heterogene integratie en toenemende dichtheid bij geavanceerde knooppunten zorgen voor een aantal complexe en moeilijke uitdagingen voor de fabricage en verpakking van IC's.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/